Simulation de l'écoulement atmosphérique au voisinage d'une tête de tunnel

Simulation of the atmospheric flow near a tunnel portal

• Auteur / Autrice : Thierry Kubwimana
• Direction : Lionel Soulhac, Pietro Salizzoni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Ivana Vinkovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Soulhac, Pietro Salizzoni, Antoine Mos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Calmet, Sylvain Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Couche limite (météorologie)

Mots clés libres

Couche limite atmosphérique

Tunnel

Mesures expérimentales

Modélisation

Turbulence

RANS

LES

Modèle de paroi rugueuse

Atmospheric boundary layer

Tunnel

Experimental measures

Modeling

Turbulence

RANS

LES

Rough wall model

Résumé

La conception d’un système de ventilation mécanique dans un tunnel nécessite de recenser tous les phénomènes physiques mis en jeu dans le mouvement de l’air dans le tunnel. Et ceci afin d’établir les capacités de ventilation nécessaires au regard d’objectifs règlementaires. On peut compter parmi ces phénomènes les effets atmosphériques, et notamment l’effet du vent, susceptible de générer des surpressions ou dépressions à proximité des ouvertures d’un tunnel et par conséquent d’induire ou de modifier un courant d’air établi à l’intérieur de celui-ci. Le présent travail entend contribuer à une meilleure compréhension ainsi qu’à une meilleure prise en compte de l’écoulement atmosphérique extérieur dans les études de ventilation de tunnel.Modélisations expérimentale et numérique ont été mises en œuvre pour cela. Des essais en soufflerie ont été menés dans la soufflerie atmosphérique de l’École Centrale de Lyon et ont fait appel à différentes techniques (PIV, anémométrie à fils chauds, micromanomètre) pour mesurer les caractéristiques moyennes et turbulentes de l’écoulement atmosphérique au voisinage d’un tunnel. Et nous avons également employé les approches numériques moyenne (RANS) et filtrée (LES) pour simuler l’écoulement atmosphérique autour d’un tunnel.La représentation de l’écoulement atmosphérique, instationnaire et turbulent, en entrée d’un domaine de calcul LES pose des difficultés. Nous avons, au cours de ce travail, implémenté un générateur synthétique de conditions amont dans le code de calcul FLUENT et, à l’appui des résultats expérimentaux, établi le paramétrage optimal d’une simulation LES de couche limite atmosphérique pleinement rugueuse.Deux configurations de tunnel ont ensuite été étudiées par voies numérique et expérimentale. Dans une première série d’essais, le champ de pression sur la tête d’un tunnel assimilée à la section frontale d’une cavité parallélépipédique a été étudié. Les comparaisons entre les différentes approches ont mis en évidence l’influence de la géométrie du tunnel et du bâti environnant, ainsi que la meilleure performance de l’approche LES dans la caractérisation de l’écoulement turbulent. Et dans une deuxième série d’essais, nous nous sommes rapprochés d’une configuration réelle et avons instrumenté une maquette de tête de tunnel ouverte dans lequel nous pouvions créer un courant d’air dirigé vers l’intérieur ou l’extérieur de l’ouvrage. Les résultats ont montré une interaction importante entre la couche limite atmosphérique et le jet pariétal tridimensionnel issu du tunnel.

The design of a mechanical ventilation system in a tunnel requires to identify all the physical phenomena involved in the movement of the air in the tunnel. That is in order to establish the necessary ventilation capacities with regard to regulatory objectives. Atmospheric effects feature among the mechanisms likely to generate overpressures or depressions near the openings of a tunnel and consequently to induce or to modify the airflow established inside. This research work intends to contribute to a better understanding as well as a better consideration of the external atmospheric effects in tunnel ventilation studies.Experimental and numerical modeling have been completed. Wind tunnel tests were carried out in the atmospheric wind tunnel of the École Centrale de Lyon and used different techniques (PIV, hot wire anemometry, micromanometer) to measure the mean and turbulent statistics of the atmospheric flow in the vicinity of a tunnel. Time averaged (RANS) and filtered (LES) turbulence models were also used to simulate the atmospheric flow around a tunnel.The suitable representation of the unsteady turbulent atmospheric flow at the inlet of an LES computational domain remains an issue. During this work, we implemented a synthetic turbulence generator in the CFD code Fluent and, through comparison with experimental data, derived the optimal setup for the simulation of a fully rough atmospheric boundary layer.Thereafter, two tunnel configurations were studied by numerical and experimental means. In a first series of tests, the pressure field at the front section of a rectangular cavity was studied. The comparisons between the different approaches highlighted the influence of the geometry of the tunnel and the arrangement of the surrounding urban-like environment, as well as a better performance of the LES model in the description the turbulent flow. And in a second series of tests, we got closer to a realistic configuration and instrumented an open tunnel in which we could create an airflow directed towards the outside or the inside of the structure. The results showed a significant interaction between the atmospheric boundary layer and the three-dimensional wall jet from the tunnel.